制造光学非线性薄膜波导的方法和光学非线性薄膜波导技术

掺Ｇｅ的ＳｉＯ↓［２］薄膜１２形成在玻璃基质（１０）上，金属膜（１４）形成在上面（ｓ１１至ｓ１３）。通过蚀刻金属膜（１４），形成彼此相距预定间隔的一对电极（１４ａ，１４ｂ）（Ｓ１４）。薄绝缘膜（１６）形成在薄膜（１２）及电极（１４ａ，１４ｂ）上（Ｓ１５）。施加紫外辐射的同时，在电极（１４ａ，１４ｂ）之间施加高压，以便完成ＵＶ激发变换，给予通道部分（１８）以光学非线性（Ｓ１６）。通过控制施加到光学非线性的通道部分（１８）上的电压，控制透过通道部分（１８）的光。这样，在玻璃基质上形成传播单模光的光学非线性波导。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用玻璃基质制造光学非线性薄膜波导的方法和光学非线性薄膜波导。具体地说，本专利技术涉及控制光学非线性波导的形状。利用二次光学非线性的光学功能元件是公知的。然而这样的元件通常由晶体材料形成，光纤由玻璃材料形成。考虑到成本和与光纤的兼容性，需要制造玻璃材料的光学功能元件。此外，由于平面元件适合于实现不同的光学控制(信号控制)功能，因此需要由玻璃基质形成的光学功能元件。一种使用玻璃材料制造平面光学波导的方法在日本专利公开出版物平8-146474中公开。根据该文件中公开的方法，扩散有精细粒子的玻璃薄膜沉积在玻璃基质上，而且抗蚀掩膜由抗光蚀剂形成覆盖一部分以便作为芯。然后，粒子扩散玻璃薄膜的没有被抗蚀掩膜覆盖的部分利用活性离子蚀刻去掉，以便形成光学波导(芯)部分。在去掉抗蚀掩膜之后，沉积玻璃膜以便包围所述芯，而且该部分作为包层。高功率激光照射到这样形成的光波导的一部分芯部上，从而赋予被照射部分以高的光学非线性。虽然上述的制造平面光波导的方法需要蚀刻步骤以便剩余对应于芯部的部分抗蚀掩膜，但是蚀刻薄膜以便只剩下芯是困难的，因为该部分很薄。而且，利用该方法获得的光学非线性是三次非线性，不是二次非线性。因此，只获得很小的非线性，从而难以实现足以象光学元件一样工作的元件。申请人在日本专利申请平8-244965中公开了一种利用紫外激发变换制造平面光波导的方法。根据这一方法，一对电极形成在玻璃基质的表面上。使用电极作为掩膜，玻璃基质表面上位于电极之间的间隙部分被惨杂锗(Ge)，以便该部分作为芯。通过在电极之间的间隙上施加高压同时辐射紫外线，所述芯经过紫外变换并给出二次光学非线性。UV变换产生的光学非线性基本上同晶体材料一样高，诸如LiNbO3，从而这样获得的平面波导可以用于形成许多不同功能的光波导。应该注意单光学模式传播和操作对于功能光波导是必要的，诸如用于光学通讯的光学开关和光学调制器、光学测量、光学信息处理等等。当存在多个光学模式时，各个模式的传播常数(对于每个模式的折射率)是不同的，因此对于利用光学干涉作用的开关或类似操作的工作电压将不同。因此，为了使得光波导实现诸如开关的操作，波导需要具有允许单模光学传播的形状。光波导的形状由它的折射率和三维尺寸共同确定。根据上面所述的申请人的方法，利用UV激发变换形成的光波导的厚度(从表面到基质的深度)利用基质的光学吸收以便改变紫外辐射的强度来控制。为了实现单模，光波导必须具有尽可能最小的尺寸，为此紫外辐射的光强度必须降低。然而，波导的形状和引起的光学非线性不能彼此独立控制，因为所引起的光学非线性还与紫外辐射的光强度有关。而且，随着紫外辐射的强度的提高获得的光学非线性也越高。因此，为了给予高光学非线性，波导的尺寸增大，这样使得不能获得单模传播。本专利技术的目的在于提供一种光学非线性波导和制造光学非线性薄膜波导的方法，其中由玻璃材料形成的光学非线性波导具有足够高的二次光学非线性，并能够获得适当的三维形状。根据本专利技术的制造方法包括如下步骤在玻璃基质上形成含有Ge的SiO2薄膜，在SiO2薄膜上形成薄金属电极膜，在电极膜之间具有间隙，它的形状对应于波导图案，以及用紫外辐射通过所述间隙照射含有Ge的SiO2薄膜，同时在薄金属电极膜之间的间隙加电压。这样，在玻璃基质上形成含有Ge的SiO2薄膜，这样，限于含有Ge的SiO2薄膜通过UV激发变换(poling，转态)引起二次光学非线性。结果，宽度可以由电极的形状限定，而深度可以通过含有Ge的SiO2薄膜的厚度控制，以便可以三维控制光学非线性波导的形状。在光学非线性波导中能够实现单模传播，从而确保光学非线性波导中的操作，诸如切换。虽然玻璃基质最好由SiO2玻璃形成，但是也可以使用其他材料诸如钠玻璃。制造根据本专利技术的光学非线性薄膜波导的方法还可以进一步包括如下步骤，即在薄金属电极膜上提供薄透明绝缘膜以便覆盖至少所述间隙部分，和用紫外辐射通过所述薄金属电极膜之间的间隙照射所述含有Ge的SiO2薄膜，，同时在所述间隙之间加电压。这样提供的绝缘膜能够防止放电，否则在金属电极之间的间隙加电压以便UV激发变换期间将由于电介质击穿引起放电。薄绝缘膜必须由具有高击穿电压和透射紫外辐射的材料形成，最好是SiO2。最好，光学非线性薄膜波导在真空室内形成。因为在真空中不象在空气中那样发生电介质击穿，因此可以在电极之间加足够高的电压用于UV-变换。根据本专利技术的光学非线性薄膜波导包括含有Ge并形成在玻璃基质上的SiO2薄膜，和形成在含有Ge的SiO2薄膜上的薄金属电极膜，在电极膜之间具有间隙，它的形状对应于波导图案，其中含有Ge的SiO2薄膜对应于薄金属电极膜之间的间隙部分表现为二次光学非线性。根据本专利技术的光学非线性薄膜波导还可以进一步包括在薄金属电极膜上形成的薄透明绝缘膜，以便覆盖所述间隙。附图说明图1描述根据本专利技术的一个实施例的光学非线性薄膜波导的结构；图2描述制造光学非线性薄膜波导的步骤；图3是描述光学非线性薄膜波导的另一个示例结构；图4描述在真空室中制造光学非线形薄膜波导。下面将参考附图描述本专利技术的最佳实施例。图1示意性示出根据本专利技术的光学非线性薄膜波导(平面波导)的结构。玻璃基质10由二氧化硅玻璃(SiO2玻璃)形成为平片。在该基质的表面上形成掺Ge的SiO2薄膜12，即含有Ge的SiO2薄膜，厚度大约为1-5μm，Ge的浓度大约为1-30mol／％。具体数值根据平面波导的指标确定，例如将使用的波长。电极14a和14b形成在掺有Ge的SiO2薄膜12上，形成指定的图案形状，而且彼此相对，它们之间具有指定间隙。电极14a和14b由例如铝(A1)的薄膜形成。形成薄透明绝缘膜16，覆盖电极14a和14b和它们之间的间隙。在该具体例子中，薄绝缘膜16由SiO2形成。通道部分18形成在掺有Ge的SiO2薄膜12的对应于电极14a和14b之间的间隙部分上，而且通过UV激发变换赋予该通道部分18以光学非线性。结果，通过施加到电极14a和14b之间的间隙的电压可以控制通道部分18的光学特性。通过施加到电极14a和14b之间的电压控制光通过通道部分18的传播，从而平面波导起光学元件的作用。虽然在上面的实施例中，SiO2玻璃用作玻璃基质10，但是也可以使用其他材料，例如钠玻璃。将参考图2描述上述平面波导的制造方法。首先，制备由平面SiO2玻璃片形成的玻璃基质10(S11)，然后放入真空室中以便在玻璃基质10的表面上形成掺Ge的SiO2薄膜12(S12)。掺Ge的SiO2薄膜12可以通过例如电子束蒸汽方法形成，使用含有20％ GeO2的烧结材料作为蒸汽源。虽然为了获得密集膜，使用Ar+束作为辅助束的辅助方法最好，但是也可以使用其他薄膜形成方法。形成金属膜14覆盖掺有Ge的SiO2薄膜12(S13)。虽然在该例中使用Al，也可以使用其他金属，而且金属膜14可以使用蒸汽方法以外的其他方法形成。然后，金属膜14的指定部分通过蚀刻被去掉以便形成一对电极14a和14b(S14)。在该具体实施例中，在这些电极14a和14b之间形成线形间隙。蚀刻利用光刻法或类似方法完成。更具体地说，抗蚀剂设置在金属膜14的整个表面，而且通过用于形成间隙的掩膜图案辐射光，从而把抗蚀剂的指定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造光学非线性薄膜波导的方法，包括如下步骤：在玻璃基质上形成含有Ｇｅ的ＳｉＯ↓［２］薄膜；在所述ＳｉＯ↓［２］薄膜上形成薄金属电极膜，在电极膜之间具有间隙，它的形状对应于波导图案；以及用紫外辐射通过所述间隙照射所述含有Ｇｅ的 ＳｉＯ↓［２］薄膜，同时在所述薄金属电极膜之间的间隙加电压。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：藤原巧，生嶋明，米田修，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，学校法人丰田学园，
类型：发明
国别省市：JP[日本]